基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的核電廠(chǎng)核安全文化評(píng)級(jí)模型研究

徐小照，潘保林

(中核集團(tuán)核動(dòng)力運(yùn)行研究所, 湖北,武漢 430223)

基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的核電廠(chǎng)核安全文化評(píng)級(jí)模型研究

徐小照，潘保林

(中核集團(tuán)核動(dòng)力運(yùn)行研究所, 湖北,武漢 430223)

本文提出了核安全文化的評(píng)級(jí)判據(jù)，構(gòu)建了46項(xiàng)核安全文化評(píng)價(jià)指標(biāo)，并基于樣本數(shù)據(jù)，建立了一種基于反向傳播(Back Propagation,簡(jiǎn)稱(chēng)BP)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的核安全文化星級(jí)評(píng)價(jià)模型。經(jīng)泛化能力驗(yàn)證，該評(píng)級(jí)模型評(píng)價(jià)核安全文化的水平，亦可用于核電廠(chǎng)核安全文化水平的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；核電廠(chǎng)；核安全文化；評(píng)級(jí)模型

目前，核安全文化評(píng)估工作已成為各大核能集團(tuán)公司測(cè)評(píng)核電廠(chǎng)核安全文化水平、發(fā)現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié)的一種有效手段。

根據(jù)當(dāng)前核行業(yè)內(nèi)核安全文化評(píng)估的一般做法，通?；诤税踩幕瘻?zhǔn)則，使用問(wèn)卷調(diào)查、現(xiàn)場(chǎng)訪(fǎng)談等方法，獲取員工對(duì)待核安全文化的觀點(diǎn)、態(tài)度和看法，通過(guò)給出的正面、負(fù)面、中性的評(píng)判數(shù)據(jù)，提出核電廠(chǎng)的核安全文化總體狀況和待改進(jìn)環(huán)節(jié)[1]。這套方法基本實(shí)現(xiàn)了核電廠(chǎng)核安全文化狀況的系統(tǒng)化評(píng)價(jià)，但其評(píng)價(jià)結(jié)論難以直觀描述核電廠(chǎng)的核安全文化總體狀況所處何種水平。

為解決這個(gè)問(wèn)題，本文基于國(guó)內(nèi)外安全文化的相關(guān)理論，提出了核電廠(chǎng)核安全文化的星級(jí)評(píng)價(jià)理念，同時(shí)，以國(guó)內(nèi)某核電公司發(fā)布的《卓越核安全文化的十大原則》為研究基礎(chǔ)，構(gòu)建了46項(xiàng)關(guān)于核安全文化的評(píng)價(jià)指標(biāo)，并基于已開(kāi)展的核安全文化評(píng)估活動(dòng)中獲取的數(shù)據(jù)，建立了基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的核安全文化評(píng)級(jí)模型。該模型可應(yīng)用于核電廠(chǎng)核安全文化總體狀況的評(píng)級(jí)，為管理部門(mén)持續(xù)監(jiān)測(cè)核電廠(chǎng)核安全文化水平提供直觀依據(jù)。

1 核安全文化評(píng)級(jí)判據(jù)

核安全文化是指各有關(guān)組織和個(gè)人以“安全第一”為根本方針，以維護(hù)公眾健康和環(huán)境安全為最終目標(biāo)，達(dá)成共識(shí)并付諸實(shí)踐的價(jià)值觀、行為準(zhǔn)則和特性的總和[2-5]。

美國(guó)心理學(xué)家亞伯拉罕·馬斯洛1943年在《人類(lèi)激勵(lì)理論》中所提出需求層次理論，基于此理論并結(jié)合核安全文化的定義，可將核安全文化分為七個(gè)星級(jí)，每個(gè)星級(jí)從低到高對(duì)應(yīng)核安全文化發(fā)展的七個(gè)階段，包括本能反應(yīng)階段、被動(dòng)管理階段、主動(dòng)管理階段、員工參與階段、團(tuán)隊(duì)互助階段、持續(xù)改進(jìn)階段和高度自律階段。各個(gè)階段的組織特征見(jiàn)表1，這些特征作為本文開(kāi)展核安全文化評(píng)級(jí)的理論判據(jù)。

表1 核安全文化星級(jí)對(duì)照表Table 1 Nuclear Safety Culture star rating comparison Table

續(xù)表

上述星級(jí)評(píng)判準(zhǔn)則中涉及核安全文化的七大階段，作為本文研究模型的評(píng)級(jí)結(jié)果，即目標(biāo)輸出。參考核安全文化評(píng)估的通用方法，本文將依據(jù)《卓越核安全文化的十大原則》構(gòu)建核安全文化的評(píng)級(jí)指標(biāo)，即數(shù)據(jù)輸入。

2 核安全文化評(píng)級(jí)指標(biāo)的構(gòu)建

《卓越核安全文化的十大原則》中將個(gè)人、領(lǐng)導(dǎo)和組織對(duì)安全的承諾，囊括為3大類(lèi)別和46個(gè)屬性，據(jù)此本文將此46個(gè)要素作為核電廠(chǎng)核安全文化的評(píng)級(jí)指標(biāo)[6-9]。

第一個(gè)類(lèi)別為個(gè)人對(duì)于核安全的承諾，其中包括11個(gè)要素，主要涵蓋三個(gè)方面，分別為核安全人人有責(zé)、培育質(zhì)疑的態(tài)度以及溝通關(guān)注安全。

表2 針對(duì)個(gè)人的核安全文化評(píng)級(jí)指標(biāo)Table 2 Nuclear safety culture evaluation indexes for individual

第二個(gè)類(lèi)別為領(lǐng)導(dǎo)對(duì)于核安全的承諾，其中包括17個(gè)要素，主要涵蓋三個(gè)方面，分別為領(lǐng)導(dǎo)做安全的表率、建立組織內(nèi)部的高度信任以及決策應(yīng)體現(xiàn)安全第一。

表3 針對(duì)領(lǐng)導(dǎo)的核安全評(píng)級(jí)指標(biāo)Table 3 Nuclear safety culture evaluation indexes for leader

第三個(gè)類(lèi)別為組織對(duì)于核安全的承諾，其中包括18個(gè)要素，主要涵蓋四個(gè)方面，分別為認(rèn)識(shí)核技術(shù)的獨(dú)特性、識(shí)別并解決問(wèn)題、倡導(dǎo)學(xué)習(xí)型組織和構(gòu)建和諧的公眾關(guān)系。

根據(jù)核安全文化評(píng)估的做法，通過(guò)問(wèn)卷調(diào)查和現(xiàn)場(chǎng)評(píng)估的實(shí)施(輔以相應(yīng)的針對(duì)性題庫(kù)和評(píng)價(jià)手段)，會(huì)得到核電廠(chǎng)在上述46個(gè)要素的得分情況，可得到如圖1所示的數(shù)據(jù)分布。

將上述評(píng)估數(shù)據(jù)按照統(tǒng)一的原則進(jìn)行處理，根據(jù)如下公式計(jì)算要素的評(píng)價(jià)指標(biāo)，其中X為要素指標(biāo)值，N為要素?cái)?shù)據(jù)點(diǎn)總數(shù)量，N+為要素得“+”的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)量，N0為要素得“0”的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)量，N-為要素得“-”的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)量。

最終可得到每項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)在1～3范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)了評(píng)價(jià)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化，將此作為評(píng)級(jí)模型的數(shù)據(jù)輸入。

考慮到本評(píng)級(jí)模型的輸入包括了46個(gè)要素，目標(biāo)輸出為7個(gè)星級(jí)，輸入和輸出間的模型關(guān)系為復(fù)雜的非線(xiàn)性模型。因此本文借助BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)處理非線(xiàn)性的信息處理。

3 核安全文化評(píng)級(jí)模型的建立

3.1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理

本文應(yīng)用的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種按誤差逆?zhèn)鞑ニ惴ㄓ?xùn)練的多層前饋網(wǎng)絡(luò)[10-16]。BP網(wǎng)絡(luò)能學(xué)習(xí)和存貯大量的輸入-輸出模式映射關(guān)系，而無(wú)需事前揭示描述這種映射關(guān)系的數(shù)學(xué)方程。其學(xué)習(xí)規(guī)則是使用梯度下降法，通過(guò)反向傳播來(lái)不斷調(diào)整網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值和閾值，使網(wǎng)絡(luò)的誤差平方和最小。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括輸入層、隱含層和輸出層。其神經(jīng)元的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中，x1，x2，…，xn為一組輸入信號(hào)，y1，y2，…，yn為一組輸出信號(hào)。輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)傳輸函數(shù)可得到輸出信號(hào)。

圖2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(三層)的基本結(jié)構(gòu)Fig.2 The basic structure of BP neural network (Three-layers)

3.2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)

本文借助MATLAB軟件中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊設(shè)計(jì)核安全文化評(píng)級(jí)模型，根據(jù)Kolmogorov定理，一個(gè)3層網(wǎng)絡(luò)足以完成任意的N維到L維的映射，所以一般只需1個(gè)隱層。在本文的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中仍保持選取1個(gè)隱層。根據(jù)如下經(jīng)驗(yàn)公式選取隱層的節(jié)點(diǎn)數(shù)。其中N為輸入層節(jié)點(diǎn)數(shù)，L為輸出層節(jié)點(diǎn)數(shù)，M為隱層節(jié)點(diǎn)數(shù)，α為1-10之間的常數(shù)。

據(jù)此設(shè)計(jì)本網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)數(shù)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)的收斂情況，最終選定隱層節(jié)點(diǎn)數(shù)為17效果最佳。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)其他相關(guān)權(quán)值和初始閾值隨機(jī)確定。

3.3 網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練過(guò)程及結(jié)果

根據(jù)本模型提出的核安全文化評(píng)級(jí)理念，核安全文化評(píng)估中積累的多年經(jīng)驗(yàn)，以及對(duì)核安全文化46條要素的理解，基于目前國(guó)內(nèi)核電廠(chǎng)的核安全文化現(xiàn)狀，本文設(shè)計(jì)了針對(duì)七個(gè)星級(jí)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練樣本，其中樣本A-G分別對(duì)應(yīng)核安全文化的1-7星級(jí)。

在樣本訓(xùn)練階段，這7組數(shù)據(jù)的目標(biāo)輸出為如下：

y=(y1,y2,y3,y4,y5,y6,y7)T

(1)

其中y1-y7分別代表目標(biāo)核安全文化1-7星級(jí)。經(jīng)過(guò)樣本訓(xùn)練，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在87步時(shí)達(dá)到收斂要求，誤差曲線(xiàn)如圖3所示。

圖3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)誤差曲線(xiàn)圖Fig.3 BP neural network error curve

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際輸出值如下：

(2)

可看出網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際輸出值與期望的輸出值基本一致，由此可證明本評(píng)級(jí)模型可以較為準(zhǔn)確的反映核安全文化水平。

3.4 評(píng)級(jí)模型的檢驗(yàn)

為了檢驗(yàn)本評(píng)級(jí)模型的有效性，本文選取了國(guó)內(nèi)兩次核安全文化評(píng)估的數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。

表5 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)測(cè)試樣本(兩次評(píng)估數(shù)據(jù))Table 5 Neural network test sample (Two NSCA data)

將這組驗(yàn)證數(shù)據(jù)輸入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行仿真后，得出的輸出結(jié)果為：

根據(jù)星級(jí)評(píng)價(jià)的定義，測(cè)試1號(hào)核電廠(chǎng)的核安全文化星級(jí)達(dá)到五星級(jí)，處于團(tuán)隊(duì)互助階段；測(cè)試2號(hào)核電廠(chǎng)的核安全文化星級(jí)達(dá)到四星級(jí)，處于員工參與階段，該驗(yàn)證結(jié)論基本與總體的認(rèn)知結(jié)論保持一致。該驗(yàn)證結(jié)果也表明本網(wǎng)絡(luò)在學(xué)習(xí)訓(xùn)練后具備了存儲(chǔ)經(jīng)驗(yàn)和進(jìn)行評(píng)價(jià)的能力。另外，考慮到目前樣本數(shù)量的有限，后續(xù)可通過(guò)補(bǔ)充訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)一步提高模型的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度。

4 結(jié)束語(yǔ)

(1)本文基于核安全文化的基本理論，提出了核電廠(chǎng)核安全文化星級(jí)評(píng)價(jià)的理念，并應(yīng)用了BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立核電廠(chǎng)核安全文化評(píng)級(jí)模型，經(jīng)驗(yàn)證，該模型具備評(píng)價(jià)經(jīng)驗(yàn)存儲(chǔ)及數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)的能力。

(2)本模型可用于判斷核電廠(chǎng)所處的核安全文化階段以及長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，以確保核電廠(chǎng)的核安全得到持續(xù)的關(guān)注和提高。

[1] 匡志海．核電廠(chǎng)安全文化[M]．北京：原子能出版社，2010.

[2]International Nuclear Safety Advisory Group. SafetyCulture [M].Vienna: IAEA Safety Series 75-INSAG-4, 1991.

[3]柴建設(shè)．核安全文化理論與實(shí)踐[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012.

[4]柴建設(shè)．核安全文化與核安全監(jiān)督[J].核安全，2013，12(3)：5-9.

[5]周濤，陸道綱，李悠然．核安全文化與中國(guó)核電發(fā)展[J]．現(xiàn)代電力，2006,23(5)：16.

[6]徐徐，金波．核安全文化評(píng)估指標(biāo)體系研究及建立[J]．中國(guó)高新技術(shù)企業(yè)，2015，(16)：7-8.

[7]周濤，王萬(wàn)惠，熊冬慶等. 模糊數(shù)學(xué)在核安全文化評(píng)價(jià)中的應(yīng)用研究[J].核動(dòng)力工程，2006：319-321.

[8]李鵬程，黃河，蔣建軍等.人因視角下的核安全文化評(píng)估指標(biāo)體系與評(píng)估方法研究[J].南華大學(xué)學(xué)報(bào)(社會(huì)科學(xué)版)，2016，17(1)：1-6.

[9]王亦虹，夏立明．基于人因失誤理論構(gòu)建企業(yè)安全文化評(píng)價(jià)體系[J]．武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，30(12)：177-180.

[10]薛定宇，陳陽(yáng)泉.高等應(yīng)用數(shù)學(xué)問(wèn)題的MATLAB求解[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.

[11]宋新明，居勇，曾鳴，等．基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的供電企業(yè)安全文化評(píng)價(jià)研究[J]．中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2009,5(4)：55-59.

[12]Li Y B, Li P, Zhang N. Safety assessment of thermal power enterprise based on BP neutral network [J].Journal of information & computational science. Beijing, 2009, 6(1):553-556.[13]錢(qián)利軍，李書(shū)全．基于粗糙集-人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的航空安全文化評(píng)價(jià)模型研究[J]．中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2009,19(10)：132-138.

[14]張青貴．人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)論[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

[15]楊建剛．人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)用教程[M]．杭州：浙江大學(xué)出版社，2002.

[16]俞峰，楊成梧．煤炭安全文化的AHP-Fuzzy綜合評(píng)價(jià)[J]．中國(guó)煤炭，2005，(11)：35-37.

StudyontheNuclearSafetyCultureRatingModelBasedonBPNeuralNetwork

XU Xiaozhao，PAN Baolin

(Research Institute of Nuclear Power Operation, CNNC，Wuhan 430223，China)

This paper puts forward the star rating criteria of nuclear safety culture, constructs 46 nuclear safety culture evaluation indexes, and based on the sample data, a nuclear safety culture star rating model based on BP neural network is established. Based on the generalization capability, the rating model has a new attempt to quantify the nuclear safety culture level of the nuclear organization, and can also be used for the long-term monitoring of the nuclear safety culture level of the nuclear power plant.

BP neural network；nuclear power plant；nuclear safety culture；star rating model

X91

：A

：1672- 5360(2017)02- 0074-06

2017- 02- 13

2017- 03- 24

徐小照(1987—)，男，安徽安慶人，工程師，工學(xué)碩士，機(jī)械設(shè)計(jì)及理論專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)主要從事核安全文化及核電同行評(píng)估研究工作